Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Изучение поля скоростей современных движений земной коры Центрального Тянь-Шаня методами космической геодезии

ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Зубович, Александр Владимирович

Введение

Обоснование темы, ее актуальность Цель и основные задачи исследования Объект исследования Результаты и их научная новизна Основные защищаемые положения Практическая ценность работы Апробация работы и публикации Структура работы

1. Выполнение СР8-измерений и обработка данных

1.1. Характеристика сети наблюдений

1.2. Приборы и технология проведения полевых наблюдений

1.3. Программы обработки

1.4. Данные, используемые для обработки

1.5. Этапы обработки

1.6. Выводы

2. Методические вопросы СР8-измерений и обработки

2.1. Продолжительность ОР8-измерений

2.2. Определение системы отсчета при вычислении скоростей

2.3. Выбор системы отсчета при анализе поля скоростей

2.4. Выводы

3. Особенности поля скоростей Центрального Тянь-Шаня 3.1. Анализ поля скоростей

3.1.1. Южная часть Центрального Тянь-Шаня

3.1.2. Поле скоростей западного участка сети

3.1.3. Восточная зона

3.2. Поле деформации

3.3. Выводы 68 4. Корреляционные зависимости поля скоростей

4.1. Современные движения и сейсмичность

4.2. Современные движения и геоэлектрические особенности 78 земной коры

4.3. Выводы 84 Заключение 87 Литература

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Изучение поля скоростей современных движений земной коры Центрального Тянь-Шаня методами космической геодезии"

Тянь-Шань - внутриконтинентальная горная система длиной около 2500 км и шириной 300-350 км, расположенная в Центральной Азии (рис. 1). Удаленность его от зон столкновения континентов и субдукций порождает множество вопросов и споров о его происхождении. Причина орогенеза Тянь-Шаня не выяснена до сих пор. Среди исследователей все еще нет единого мнения о природе тектонических процессов, механизмов взаимодействия блоков и слоев земной коры [1-3]. Согласно одной из точек зрения, формирование горного пояса во внутриконтинентальной обстановке происходит в результате тангенциального растяжения - рифтогенеза (В.И. Попов, Б.Б. Таль-Вирский, Ф.Н. Юдахин и др.). Другая точка зрения сводится к представлению о складчатой природе новейших поднятий и впадин за счет горизонтального сжатия земной коры (O.K. Чедия, П. Молнар, В.И. Макаров и др.).

В мезозое - раннем кайнозое территория Тянь-Шаня представляла собой выровненную поверхность, над которой возвышались лишь незначительные поднятия. В то время здесь господствовала платформенная обстановка. Горообразование на Тянь-Шане началось с конца олигоцена около 30 млн. лет назад. Исходная предорогенная поверхность последующими тектоническими движениями была деформирована и разорвана в складки и блоки. В настоящее время размах вертикальных смещений составляет 10-15 км [3-5]. Актуальность темы определяется тем, что изучение современных движений земной коры (СДЗК) методами космической геодезии позволяет подойти к решению коренной теоретической проблемы геодинамики Тянь-Шаня - определению типа происходящего здесь процесса (растяжению земной коры или ее сжатию) и внести существенный вклад в теорию внутриконтинентальных горных систем, каковым и является Тянь-Шань. СДЗК в регионе выражаются проявлением интенсивной сейсмичности. Катастрофические землетрясения, происходящие в Тянь-Шане, представляют собой большую угрозу для проживающего здесь населения,

Центрального Тянь-Шаня. 6 плотность которого особенно велика в Ферганской, Чуйской, Иссык-Кульской и других долинах. Поэтому проблемы изучения СДЗК имеют исключительно важное значение, которое, кроме научного интереса, определяется большой практической востребованностью. Знание особенностей тектонических движений в регионе сможет оказать помощь как в прогнозе землетрясений, исследовании влияния техногенных факторов на сейсмотектоническую обстановку в районах сооружения крупных промышленных объектов и гидротехнических сооружений, так и в ответе на вопросы о причинах горообразования в Тянь-Шане.

СДЗК являются объектом исследования многих дисциплин: геологии, геодезии, геофизики. И хотя исследования проводятся уже длительное время, ни одна из них не может достаточно полно ответить на вопросы о скоростях современных движений. Традиционные геолого-геоморфологические, наземные геодезические и сейсмологические методы изучения современных движений и деформаций земной коры имеют значительные ограничения по пространственному и временному разрешению [3-13]. Геологические методы дают слишком большие осреднения. Они изучают суммарный результат тектонических движений за длительные периоды времени, в течение которых характер движений мог значительно меняться. Даже четвертичная геология, изучающая наиболее короткие события, имеет дело с объектами и процессами, время образования и развития которых весьма продолжительно (десятки и сотни тысяч лет). Их характеристики могут не отвечать нынешним полям напряжений и направленности перемещений и деформаций земной коры.

Методы традиционной наземной геодезии имеют большие ограничения: они требуют прямой видимости между соседними наблюдаемыми пунктами, а измеряемые сети не могут быть достаточно большими и ограничиваются сравнительно короткими базами, характеризуя движения на локальных участках. Сейсмичность характеризует лишь тектонически-активные области, статистика их, как правило, недостаточна, поэтому параметры движений нередко спорны.

Возможность высокоточного измерения современных движений земной коры появилась в результате создания на базе навигационной системы МАУБТАЯ 7 системы глобального позиционирования (GPS - Global Positioning System) [14-16] и развитии на ее основе методов космической геодезии [17-20]. Система NAVSTAR (Navigation Satellite Timing and Ranging) использует 29 спутников (на 30 октября 2001 года) с орбитальным периодом в 12 часов. Спутники движутся вокруг Земли на высоте примерно 20200 км от ее поверхности в шести различных орбитальных плоскостях, имеющих наклон к экватору в 55°. За спутниками Министерством Обороны США осуществляется непрерывное слежение. Имеется четыре станции слежения, три станции связи и центр, осуществляющий контроль и управление за всем наземным сегментом системы. На каждом спутнике расположено несколько высокоточных атомных часов и они непрерывно передают радиосигналы с собственным уникальным идентификационным кодом. Станции слежения ведут непрерывное наблюдение за спутниками и передают данные в центр управления, где элементы спутниковых орбит и коэффициенты поправок спутниковых шкал времени уточняются и посылаются по каналам связи на спутники не реже одного раза в сутки. Сигналы со спутников принимаются наземными GPS-приемниками, которые вычисляют свое местоположение. Трехмерные координаты на поверхности Земли могут быть определены по измерениям расстояний от трех спутников. Но это при условии, что часы на спутниках и в приемнике имеют одинаковый ход. В реальности в приемниках установлены часы с невысокой точностью хода, поэтому для устранения ошибок времени требуется четвертый спутник (обычно максимальное количество спутников, принимаемых геодезическими GPS-приемниками, составляет от 8 до 12). Расстояния до спутников определяются двумя способами. По первому, псевдодальность вычисляется по измерениям времени прохождения радиосигнала от космического аппарата до приёмника, умноженным на скорость света. При этом для определения времени распространения сигнала необходимо знать, когда он покинул спутник. Для этого на спутнике и в приёмнике одновременно генерируется одинаковые псевдослучайные коды, при сравнении которых вычисляется время задержки. При втором способе используются фазовые измерения несущей частоты сигналов.

Космическая геодезия начала бурно развиваться в последнее десятилетие 20 века, охватывая все более новые территории [1,21-29]. Ее преимущество 8 заключается в том, что она позволяет проводить наблюдения в любых погодных и климатических условиях, в любое время суток. У нее нет ограничений на размер охватываемых территорий. Практически, это может быть и весь Земной Шар, а могут быть и различные локальные участки на поверхности Земли, как, например, оползни и ледники.

Цель и основные задачи исследования

Основная цель работы - изучение поля скоростей современных движений земной коры территории Центрального Тянь-Шаня по данным восьмилетних GPS измерений. В соответствие с основной целью сформировались следующие задачи:

- Совершенствование методики измерений, обработки и интерпретации данных космо-геодезических наблюдений.

- Изучение пространственного распределения скоростей и кинематики современных движений земной коры Центрального Тянь-Шаня.

- Исследование корреляционных связей поля скоростей с другими геофизическими полями.

Объект исследования

Объектом исследования является поле скоростей современных горизонтальных движений на поверхности земной коры региона Центрального Тянь-Шаня с некоторым "захватом" территории Западного Тянь-Шаня (рис.2.). Естественной границей Центрального и Западного Тянь-Шаня является Таласо-Ферганский разлом. Восточный Тянь-Шань, расположенный на территории Китая, в рассмотрении не участвует. Имеющаяся на Казахской платформе (Центральный Казахстан) GPS-сеть применяется в работе только для определения системы отсчета при построении поля скоростей Центрального Тянь-Шаня. Из-за неточного определения (в 3-5 раз меньше, чем у горизонтальных составляющих [20]) не

Рис. 2. Карта Тянь-Шаня и его окружения. Рамкой показан район исследования.

10 используется вертикальная компонента скорости.

Результаты и их научная новизна

1. Впервые для Центрального Тянь-Шаня и Казахского щита построены карты поля скоростей современных горизонтальных движений поверхности земной коры и среднегодовых горизонтальных деформаций. Установлено, что поперечное укорочение Кыргызского Тянь-Шаня в условиях субмеридионального сжатия составляет 10-12 мм/год. В результате этого происходит выдавливание горной массы в широтном направлении, особенно значительное в восточной, сужающейся части Центрального Тянь-Шаня.

2. Поле горизонтальных деформаций (вычисленное как дивергенция векторного поля скоростей) распределено по поверхности региона неравномерно. Выделяется зона сжатия, протянувшаяся через весь Центральный Тянь-Шань в запад-юго-западном направлении. Эту зону с юга и севера окружают участки, испытывающие растяжение.

3. Выяснено, что на Таласо-Ферганском разломе, являющимся правосторонним сдвигом северо-западного простирания, в настоящее время отсутствуют смещения, а вычисленные сдвиговые движения в 1 мм/год относятся ко всему окружающему разлом пространству не менее 50 км от сместителя в обе стороны.

4. Прямыми геодезическими методами определено вращение Ферганской впадины, составляющее 0.5 - 1.5 мсек/год против часовой стрелки.

5. Обнаружены зависимости: а) пространственного распределения слабой сейсмичности (с энергетическим классом >= 6.0) от градиента поля деформации на поверхности Земли, которое представляет собой дивергенцию векторного поля скоростей, и б) поля деформации от геометрии выделенного по данным магнитотеллурических зондирований нижнекорового проводящего слоя.

11

Основные защищаемые положения

1. В условиях субмеридионального сжатия укорочение поперек Кыргызской части Центрального Тянь-Шаня составляет 10-12 мм/год. В результате этого происходит выдавливание земной коры в широтном направлении, особенно заметное в восточной части региона.

2. Сдвиговые движения в районе Таласо-Ферганского разлома в 1 мм/год не согласуются по величине с геологическими данными, по которым скорость перемещения по разлому в новейшее время составляет от 5 до 15 мм/год. Современные смещения носят характер регионального распределения и не относятся к конкретному разлому.

3. Между полем среднегодовых горизонтальных деформаций на поверхности Земли и распределением слабой сейсмичности внутри земной коры существует пространственная зависимость. Наибольшее количество землетрясений происходит в градиентных зонах между областями максимального и минимального сжатия.

4. Поле горизонтальных деформаций коррелируется с геометрией нижнекорового проводящего слоя, выделенного в результате магнитотеллурических исследований. Область максимального сжатия деформационного поля расположена над теми участками склона поверхности этого слоя, где угол его наклона наибольший.

Практическая ценность работы

Выполненные автором разработки могут быть использованы при построении сейсмотектонических моделей в прогнозе землетрясений, уточнении действующих нормативных карт сейсмического районирования. Полученные карты поля скоростей и деформаций могут служить основой при изучении влияния техногенных факторов на сейсмотектоническую обстановку в районах сооружения крупных промышленных и гидротехнических объектов. Одним из таких

12 применений уже является использование карты поля скоростей при проектировании железной дороги, связывающей Европу с Юго-восточной Азией и проходящей через территорию Тянь-Шаня.

Методические наработки, полученные автором при выполнении данной работы, будут полезными при создании единых методических рекомендаций при проведении GPS-наблюдений для геодинамических исследований. Некоторые из них использовались при выполнении GPS-измерений в Саяно-Алтайском регионе и в районе месторождения Тенгиз в Казахстане.

Апробация работы и публикации

Основные результаты и положения диссертационной работы были представлены на Международных конференциях: "Проблемы геокосмоса" в Санкт-Петербурге (2000г), "Геодинамика Тянь-Шаня" в Бишкеке (2000г), на Третьей встрече Азиатской сейсмологической комиссии в Иране (2000г), на осенней встрече американского геофизического союза в Сан-Франциско (2000г), на научных семинарах Научной станции Объединенного Института Высоких Температур Российской Академии Наук (НС ОИВТ РАН) и изложены в научных отчетах и четырех опубликованных работах [6, 12, 29, 51].

Структура работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы, включает 36 рисунков и 9 таблиц.

Заключение Диссертация по теме "Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых", Зубович, Александр Владимирович

Основные результаты выполненных исследований по изучению современных движений земной коры в Центральном Тянь-Шане могут быть кратко сформулированы следующим образом:

1. Обеспечение правильно выбранной системы отсчета на всех этапах наблюдений и обработки является важнейшей задачей как при получении скоростного решения, так и при последующем анализе поля скоростей современных движений земной коры. Представленная в работе методика позволила получить надежные непротиворечивые оценки скоростей СДЗК, а наилучшей при построении поля скоростей Центрального Тянь-Шаня оказалась система отсчета, определенная по 29 южно- и центрально-казахстанским пунктам наблюдений.

2. В условиях преимущественно субмеридионального сжатия, согласующегося с геологическими данными, укорочение поперек Кыргызской части Центрального Тянь-Шаня составляет 10-12 мм/год. В результате этих деформаций происходит выдавливание земной коры в широтном направлении. Поле деформаций распределено по территории Центрального Тянь-Шаня неравномерно. Наиболее интенсивные деформации происходят в его самой узкой, восточной части. Существует зона интенсивного сжатия, протянувшаяся через весь Центральный Тянь-Шань и имеющая до -74° широтное простирание, западнее которого меняется на юго-западное.

3. Современные сдвиговые деформации в районе Таласо-Ферганского разлома в 1 мм/год не согласуются с геологическими данными, по которым скорость перемещения по разлому в новейшее время составляет от 5 до 15 мм/год. Полученная величина смещения прямо к разлому не относится, а распространяется на весь район, окружающий разлом. Такое несогласие по величине может означать, что подвижки на Таласо-Ферганском разломе (как, по-видимому, и на других разломах) носят импульсный характер, не проявившиеся за время ОР8-наблюдений.

88

4. Поле скоростей в окружении Ферганской долины имеет вращательный характер с центром вращения внутри долины. Это подтверждается и палеомагнитными, и геологическими данными. Скорость вращения имеет направление против часовой стрелки и составляет от 0.5 мсек/год на севере и западе до 1.5 мсек/год в восточной части рассматриваемой территории.

5. Обнаруженные пространственные зависимости между полем деформации на поверхности земли, распределением слабой сейсмичности внутри земной коры и геометрией нижнекорового проводящего слоя могут означать, что деформационное поле, построенное по данным ОР8-наблюдений, и распределение землетрясений - проявления единого тектонического процесса, связанные с глубинной геоэлектрической структурой.

89

Заключение

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Зубович, Александр Владимирович, Москва

1. Evgeny В. Burov, Peter Molnar. Gravity anomalies over the Ferghana Valley (central Asia) and intracontinetal deformation. Journal of geophysical research. Vol. 103. No. B8. Pages 18.137-18.152. August 10, 1998.

2. O.K. Чедия. Морфоструктуры и новейший тектогенез Тянь-Шаня. Фрунзе, Илим, 1986, 315 с.

3. И. Садыбакасов. Неотектоника центральной части Тянь-Шаня. Фрунзе: Илим, 1972. 116 с.

4. В.И. Макаров. Новейшая тектоническая структура Центрального Тянь-Шаня. М.: Наука, 1977. 172 с. (Труды ГИН АН СССР; Вып. 307).

5. В.Д. Брагин, A.M. Волыхин, A.B. Зубович. Геологическое строение и сейсмичность Бишкекского прогностического полигона и сопредельной территории. // Проявление геодинамических процессов в геофизических полях. М., Наука, 1993, с.10-18.

6. В.И. Макаров, В.Г. Трифонов, Ю.К. Щукин, В.К. Кучай, В.К. Кулагин. Тектоническая расслоенность литосферы новейших подвижных поясов. М.: Наука, 1982, 115с. (Труды ГИН АН СССР; Вып. 359).

7. А.К. Трофимов. Палеотектоника кайнозоя и новейшая геодинамика бассейна озера Иссык-Куль // Тянь-Шань в эпоху новейшего горообразования. Бишкек, Илим, 1994, с.104-115.90

8. К.Е. Абдрахматов, С. Томпсон, Р. Уилдон, Д. Дельво, Я. Клерке. Активные разломы Тянь-Шаня. Бишкек, Наука и новые технологии. № 2, 2001, с. 2228.

9. К.Е. Абдрахматов. Четвертичная тектоника Чуйской впадины. Фрунзе, Илим, 1988, 120 с.

10. В.Е. Цурков. Современные вертикальные движения земной коры: геодезические данные. // Литосфера Тянь-Шаня. М.: Наука, 1986, с. 102-107.

11. Ф.Е. Юдахин, Т.Я. Беленович. Современные вертикальные движения земной коры: сейсмологические данные. // Литосфера Тянь-Шаня. М.: Наука, 1986, с. 107-110.

12. Alfred Leick. GPS satellite surveying. Second Edition. New York: John Wiley & Sons, 1995, p. 560.

13. B. Hofmann-Wellenhof and H. Lichtenegger, GPS Theory and Practice. Fourth, revised edition. Wien: Springer-Verlag, 1997, p 390.

14. B.W. Parkinson, J. Spilker, P. Axelrad, and P. Enge. Global Positiong System: Theory and Applications, vol. 1. Washington, D.C.: American Institute Aeronautics and Astronautics, 1996, p. 793.

15. B.H. Hager, R.W. King, and M.H.Murray. Measurement of crustal deformation using Global Positioning System. Annu. Rev. Earth Planet.Sci, vol. 19, No. 2 pp. 351-382, 1991.

16. P. Segall and J. Davis. GPS applications and earthquake studies. Annu. Rev. Earth Planet.Sci, vol. 25, No. 2 pp. 301-336, 1997.91

17. J.D. Bossier, C.D. Goad, and P.L. Bender. Using the Global Positioning System (GPS) for geodetic positioning. Bulletin Geodesique, vol. 54, pp. 553-563, 1980.

18. Thomas A. Herring. Geodetic Applications of GPS. Proceedings of the IEEE. Vol. 87. No. 1, January 1999, p. 92-110.

19. В.И. Макаров, А.Ю. Трапезников. Изучение современных деформаций земной коры методами космической геодезии. Геоэкология. 1996, № 3, с. 70-85.

20. В.И. Шевченко, Т.В. Гусева. А.А. Лукк, А.В. Мишин. М.Т. Прилепин, Р.Э. Рейлинджер, М.У. Гамбургер, А.Г. Шемпелев, C.JI. Юнга. Современная геодинамика Кавказа (по результатам GPS измерений и сейсмологическим данным). Физика Земли, 1999, № 9. С. 3-18.

21. S. Shimada and Y. Bock. Crustal deformation measurements in central Japan determined by a Global Positioning System fixed-point network. J. Geophys. Res., Vol. 97, No. B9, pp.12.437-12.455, 1992.

22. D.J. Darby and C.M. Meertens. Terrestrial and GPS measurement of deformation across the Taupo back arc and Hikurangi forearc regions in New Zealand. J. Geophys. Res., Vol. 100, No. B5, pp. 8221-8232, 1995.

23. M.E. Jackson and R. Bilham. 1992-1992 GPS measurements across the Nepal Himalaya. Geophys. Rs. Lett. Vol. 21, No. 12, pp. 1169-1172, 1994. J. Geophys. Res., Vol. 98, No. B12, pp.21.677-21.712, 1993.

24. В.И. Макаров, Л.И. Соловьева. Неотектонические поперечные структуры Тянь-Шаня и их выражение на космических снимках. Изв. Вузов. Геология и разведка. 1975, № 2, с. 10-18.

25. Documentation for the GAMIT GPS analysis software. Department of Earth, Atmospheric, and Planetary Sciences, Massachusetts institute of technology. Release 9.9, 2001.

26. Herring, T. A., GLOBK: Global Kalman filter VLBI and GPS analysis program Version 10.0. Internal Memorandum, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, 2001.

27. Bock Y., S. A. Gourevitch, С. C. Counselman III, R. W. King, and R. I. Abbot, Interferometric analysis of GPS phase observation, Manuscripta Geodaetica, 11, 282-288, 1986.93

28. Dong, D.-N., and Y. Bock, GPS network analysis with phase ambiguity resolution applied to crustal deformation studies in California, Journal of Geophysical Research, 94, 3949-3966, 1989.

29. T.A. Herring, J.L. Davis, I.I. Shapiro. Geodesy by Radio Interferometry: The Application of Kalman Filtering to the Analysis of Very Long Baseline Interferomery Data. Journal of geophysical research, Vol. 95, No. B8, pp 12.56112.581, August 10, 1990.

30. Paul Wessel, Walter Smith. The generic mapping tools (GMT). Version 3. Technical reference and cookbook.

31. В.Д. Большаков. Теория ошибок наблюдений. Издание второе. М,. Недра, 1983, с. 224.

32. Z. Altamimi, С. Boucher, and L. Duhem. The worldwide centimetric terrestrial reference frame and its associated velocity field. Adv. Space Res., vol. 13, No. 11, pp 151-160, 1993.

33. McCarthy, D. D., IERS Standards (1992;, IERS Technical Note 13, Observatoire de Paris, July, 1992.

34. P. Molnar, and P. Tapponnier. Cenozoic tectonics of Asia: Effects of a continental collision, Science, 189, 419-426, 1975.

35. А.Б. Бакиров. К вопросу о характере тектонических движений в пределах горного обрамления Ферганы в позднем палеозое // Тектоника западных районов Северного Тянь-Шаня. Изд-во АН КиргССР, 1964, с. 35-46.94

36. А.Б. Бакиров, О.М. Лесик, А.П. Лобанченко, Т.М. Сабитова. Признаки современного глубинного магматизма в Тянь-Шане. Геология и геофизика,1996, т. 37, №12, с. 42-53.

37. Mikhail L. Bazhenov. Cretaceous paleomagnetism of the Fergana Basin and adjacent ranges, central Asia: tectonic implications. Tectonophysics, 221: 251267.

38. В.Г. Трифонов, В.И. Макаров, С.Ф. Скобелев. Таласо-Ферганский правый сдвиг. Геотектоника, 1990, №5, С 81-92.

39. V.S. Burtman, S.F. Skobelev, P. Molnar. Late Cenozoic slip on the Talas-Ferghana fault, The Tien Shan, central Asia. GS A Bulletin, August 1996, Vol. 108, No. 8, pp. 1004-1021.

40. M.B. Гзовский. Математика в геотектонике. M., Недра, 1971.

41. Ильясов Б.И., Эшперова А., Токбаева С. Каталог землетрясений Чуйской впадины и ее горного обрамления. Бишкек: Илим, 1992, с.76.

42. К.Д. Джанузаков, Б.И. Ильясов, В.И. Кнауф, В.Г. Королев, Е.В. Христов, O.K. Чедия. Сейсмическое районирование Киргизской ССР. Фрунзе, Илим,1997, с. 57.

43. Трапезников Ю.А., Андреева Е.В., Баталёв В.Ю., Бердичевский М.Н., Ваньян Л.Л., Волыхин A.M., Голубцова Н.С., Рыбин А.К.